Sensores de proximidade indutivos
Miguel Malheiro Eng.o Eletrotécnico, Ramo de Automação, Controlo e Instrumentação – FEUP mcbmalheiro@gmail.com
instrumentação
1.ª Parte
Os sensores indutivos são sensores de presença sem contacto, também conhecidos como sensores de proximidade indutivos, e são utilizados para a deteção de objetos na sua proximidade. São normalmente de ação eletrónica, o que permite uma maior flexibilidade e integração com os sistemas de automação.
Se um material ferromagnético, de permeabilidade ur, se aproxima da bobina as linhas de força são cortadas e são induzidas correntes I de Eddy ou Foucault (Figura 3). Estas correntes criam, por sua vez, um campo magnético que se opõe ao gerado pela bobina e fazem que varie a indutância L da mesma. É este o principio de funcionamento dos sensores indutivos de proximidade cujo diagrama de blocos está representado na Figura 4 em que se pode observar que:
1. CONCEITOS GERAIS O funcionamento dos sensores de proximidade indutivos (inductive proximity detectors) baseia-se na interação entre o objeto a ser detetado e o campo eletromagnético gerado na parede do próprio sensor.
Figura 3. Correntes de Foucault produzidas por um campo magnético.
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S
N Íman
robótica
Figura 1. Campo magnético criado por um íman.
Bobina Oscilador
O campo magnético criado por um íman ou uma bobina, através do qual passa uma corrente, é uma região do espaço em que existe um conjunto de linhas de força que se fecham nos dois pólos, como está representado na Figura 1 para o caso de um íman. A resistência de cada um dos materiais à passagem das linhas de força é chamada relutância magnética (R) e é análoga à resistência dos condutores à passagem de uma corrente quando existe uma tensão elétrica. A relutância é inversamente proporcional à permeabilidade magnética do material (u) que, por sua vez, é análoga à condutividade dos condutores elétricos. A permeabilidade magnética de um material (u) é o produto da permeabilidade do vácuo (uo), que é constante, por uma permeabilidade relativa (ur) desse meio em relação ao vácuo. A permeabilidade magnética é uma caraterística de cada material e quanto maior for o seu valor melhor condutor do campo magnético é o material. De acordo com o valor da permeabilidade os materiais são: Ferro
Alumínio
Cobre
a)
b)
c)
Retificador Comparador Saída e filtro com Histerese
Zona de deteção
Figura 4. Diagrama de blocos de um sensor de proximidade indutivo.
O circuito LC do oscilador está calculado para que oscile na ausência do material. Portanto, quando uma peça do material fica perto da bobina altera-se o campo eletromagnético (Figura 5a) e varia o valor de L. Como consequência, o circuito deixa de oscilar tal como se indica na Figura 5b.
Objeto Objeto
a) Objeto Sensor
b)
Figura 2. Comportamento de diferentes tipos de materiais a um campo
Figura 5. Comportamento de um sensor de proximidade indutivo: a) Modifica-
magnético: a) Material ferromagnético (ur>>1); b) Material paramagnético (ur>1);
ção do campo magnético ao aproximar-se de um objeto; b) Resposta do circuito
c) Material diamagnético (ur<1).
oscilante.
que deve ser utilizado para diferentes reduções de tamanho do objeto padrão, tanto para a montagem dos sensores embutidos como dos sensores não embutidos. A distância de deteção é calculada como o produto do dito fator e a distância de deteção nominal, fornecida pelo fabricante para o objeto padrão. Núcleo da bobina
Tabela 1. Fatores de correção para sensores de proximidade indutivos para diferentes reduções do tamanho em relação ao objeto padrão.
embutido.
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Instrumentação
Figura 11. Sensor de proximidade indutivo não embutido.
3. CAMPO DE TRABALHO O campo de trabalho ou gama de deteção (Sensing range) é a área, localizada na vizinhança da face ativa do sensor, em que o campo eletromagnético criado pela bobina é suficientemente forte para o fabricante garantir que o sensor deteta o objeto normalizado ou padrão, que é um quadrado de aço ST37 de um milímetro de espessura cuja dimensão dos lados é igual ao diâmetro da face sensível do sensor (os mais utilizados na indústria são cilíndricos) ou três vezes a distância de deteção nominal do sensor (o maior de ambos). A Figura 12 mostra o campo a trabalho típico de um sensor indutivo, em que se pode observar que: t é um cone cuja base é aproximadamente igual à superfície da face ativa sensor; t o campo de trabalho é reduzido à medida que o objeto se afasta da face ativa do sensor até alcançar a distância de deteção nominal que é igual à altura do cone; t a superfície da face ativa do sensor a ser coberta pelo objeto aumenta com a distância entre eles.
A esta distância, o objeto tem de tapar totalmente a superfície ativa do sensor.
Objeto A esta distância, o objeto tem, apenas, de tapar uma parte da superfície ativa do sensor.
Objeto
Fator de correção
Redução do objeto
Sensor embutido
Sensor não embutido
25%
0,56
0,50
50%
0,83
0,73
75%
0,92
0,90
100%
1,00
1,00
Os fabricantes, muitas vezes, também fornecem informações sobre o fator de correção que deve ser aplicado ao valor da distância nominal de deteção em função da espessura do objeto para diferentes tipos de materiais como, por exemplo, o gráfico da Figura 13, onde pode ser visto que: t a distância de deteção aumenta com a diminuição da espessura do objeto, para valores abaixo de um certo valor da mesma, devido ao efeito de pelicular (Skin effect); t a partir deste valor de espessura do objeto a distância de deteção permanece invariável.
Fator de correção da distância de deteção
Figura 10. Fluxo magnético gerado por um sensor de proximidade indutivo não
Aço Inoxidável
Latão Alumínio Cobre
Espessura do objeto Figura 13. Relação entre o fator de correção que se deve aplicar à distância nominal de deteção de um sensor de proximidade indutivo e a espessura do objeto para diferentes tipos de materiais.
Os fabricantes costumam incluir nas suas folhas de dados, tabelas com o fator de correção que deve ser utilizado para calcular a distância de deteção nominal para diferentes tipos de materiais. Um exemplo é mostrado na Tabela 2, a partir da qual se pode obter uma distância de deteção pela equação: Sn (Material) = Sn (Aço... ST... 37) * Fator (Material) Tabela 2. Fatores de correção para sensores de proximidade indutivos para
Sensor Indutivo
diferentes reduções do tamanho em relação ao objeto padrão.
Material
Sensor não embutido
Aço ST 37
1,00
1,00
Lâmina de Alumínio
0,90
1,00
Aço Inoxidável
0,70
0,80
Figura 12. Campo de trabalho de um sensor de proximidade indutivo.
A distância de deteção varia com o tamanho do objeto. Como resultado, os fabricantes muitas vezes fornecem fatores de correção para calcular a distância de deteção de objetos mais pequenos do que o padrão. A Tabela 1 mostra o fator de correção
Fator de correção Sensor embutido
Bronze
0,40
0,50
Alumínio
0,35
0,40
Cobre
0,30
0,40